Bropillerne under Lillebæltsbroen

Transkript

1 Møde i dgf - torsdag den 12. juni 2014 Bropillerne under Lillebæltsbroen Effektive styrkeparametre for Lillebæltsler v. Nik Okkels

2 Lillebæltslerets arbejdskurve i langtidstilstanden Arbejdskurve for Lillebæltsler ved en effektiv normalspænding på 260 kpa DAGENS EMNER: 1. Hvordan er arbejdskurven bestemt? 2. Hvordan er udledes de karakteristisk, effektive styrkeparametre?

3 Triaxialforsøg Triaxialforsøgene er udført af GEO i samarbejde med DTU og iht. konventionel dansk praksis 4 brudforsøg og 4 krybeforsøg, idet brud- og krybeforsøg er udført parvist med to nabodelprøver fra 4 prøverør Forsøgene med de to øverste rørprøver er udført som (CID c - forsøg) drænede trykforsøg med isoptrop konsolidering til in situ spændingsniveau Forsøgene med de to dybestliggende rørprøver er udført som (CAD c forsøg ) drænede trykforsøg med anisotrop forkonsolidering. Der er lastet op til den lave forbelastningsspænding og dernæst aflastet til in situ spændingsniveau Hastighed: 0,02 %/time Udledt en forsigtig peakstyrke:

4 DSS-forsøg DSS-forsøgene er udført af NGI i samarbejde med NM 8 brudforsøg udført som konsoliderede forsøg med konstant volumen (DSS-CCV tests) 4 forsøg er kørt til brud fra in situ spændingsniveauet inden pillerne blev opført (uudfyldte cirkler). 4 andre er ført til brud fra in situ spændingsniveauet efter pillerne er opført (udfyldt cirkler) Hastighed: 1%/time Udledt både en peakstyrke og en styrke ved 30% forskydningstøjning:

5 DS-forsøg Brudplan med glideflader 3 DS-forsøg udført af Kenny D. Sørensen på AU i samarbejde med GEO og DTU + 4 GI-forsøg fra 1964 Prøverne er indledningsvist konsolideret til forskellige in situ spændingsniveauer Dernæst er prøverne taget ud af apparatet og skåret igennem med en stålwire. Efter at skærefladerne er glattet ud på en glasplade, er prøverne er sat sammen igen i apparatet og lastet op. Til sidst er residualstyrken målt i en drænet skærefase Den hårdhændede precutbehandling giver konsistente resultater, som er sammenfaldende med nedre værdier af forsøg udført med intakte prøver De drænet skærefaser er udført med 0,02 mm/time Udledt en residualstyrke:

6 Sammenfatning af forsøgsresultater

7 Skitse af arbejdskurve =23,3, c =2,1 kpa =15, c =4 kpa =9, c =1 kpa σ n

8 Modeller for progressivt brud Bjerrums model A C B Krybebrudsmodel

9 Kryb Kryb består af to bestanddele: Volumenkryb (Kilde: konstant middelspænding) Forskydningskryb (Kilde: konstant forskydningsspænding) Volumenkrybet reducerer poretallet og øger således styrken. Det har derfor en stabiliserende virkning Forskydningskrybet reducerer derimod styrken (pga. softening), og har derfor en destabiliserende virkning

10 Krybebrud Krybeprocessen opdeles i 3 faser: 1. Primært kryb; kryb med aftagende hastighed 2. Sekundært kryb; kryb med konstant hastighed 3. Tertiært kryb; kryb med tiltagende hastighed

11 Pillernes bevægelse frem til 2012 ca Pille 1 står vandfyldt frem til 1990, hvor den tømmes helt Pille 2-4 står med vandballast i midterkamre frem til 1937, hvor ballasten flyttes over i østlige kamre. Året efter sandfyldes pille 2s østlige kamre Pille 2, 3 og 4 tømmes helt for vandballast i 2010

12 Evaluering af pillernes bevægelser Pille 1 Sætningens størrelse (20 cm frem til 1990) er normal Den kan forklares ud fra konsolideringsteorien (NM) Pille 2, 3 og 4 Sætningerne (45 65 cm frem til 2012) er unormalt store. Sætningerne kan ikke forklares ud fra konsolideringsteorien (NM) Afvigelsen skyldes, at sætningerne indeholder usædvanligt meget kryb. Det store krybebidrag indikerer, at der også sker nedbrydning af lerets styrke Konklusion Alene sætningernes størrelsen motiverer, at pille 2, 3 og 4 skal forstærkes, og at dette burde have været sket for lang tid siden

13 Aktuel sætningshastighed Pille 2, 3 og 4: Nærstuderes de seneste 35 års måledata fremgår det, at sætningshastigheden tenderer til at være konstant 1-2 mm/år. (R 2 =0,98 for ret linje). Pillerne står svarende hertil i en sekundær krybefase. Sætninger af pille 3 i perioden fra 1978 til 2012 Alene det faktum, at krybehastigheden tenderer til at være konstant indikerer, at det kun er et spørgsmål om tid, inden forskydningstøjningerne bliver så store, at der indtræder en tertiær brudfase Vi kan altså ikke udelukke en kommende brudfase inden for broens lange restlevetid (80 år)!

14 Aktuel sætningshastighed Pille 1: Sætningerne gik i stå frem mod Pillen stod således i en primær krybefase, som afsluttedes inden den nåede at fortsætte ind i en sekundær og tertiær fase. En kommende tertiær krybefase kan således udelukkes for denne pille! (NM vil efterfølgende redegøre for, hvad der sker med pillen efter 1990)

15 Krybebrudforsøg Med henblik på at udforske krybebrud blev der udført 4 triaxiale krybebrudforsøg. Forsøgene er identiske med brudforsøgene med den undtagelse, at der blev indlagt en eller flere krybefaser med konstant last undervejs mod brud. Krybefasernes varighed var mellem 2 og 10 uger. Krybefaserne er typisk indlagt ved en forskydningsspænding, der svarer til 70%, 80%, 90% og/eller 100% af den forskydningsstyrke, der var bestemt ved referenceforsøget (=brudforsøget med nabodelprøve).

16 Resultater af krybebrudforsøg I ingen tilfælde lykkedes det at udvikle et krybebrud. Forsøgene blev derfor afsluttet med en sædvanlig brudfase. I alle tilfælde opnåedes brudværdier, som var væsentlig større end de brudværdier, der blev fundet ved referenceforsøgene. Krybefaserne endte typisk i en sekundær krybefase. Tøjningsraterne i krybefaserne var sammenlignelige med de flytningsrater, der er registreret for pille 2, 3 og 4.

17 Resultater af krybebrudforsøg Resultaterne indikerer, at den sekundære krybefase er længerevarende. Der er derfor grund til at tro, at en forstærkning af bropillernes fundering kan gennemføres, inden der indtræder en kritisk, tertiær krybefase.

18 Tilbageregninger I forbindelse med ekspertgruppens arbejde udførte NM tilbageregning af de 4 pillers bæreevne. Resultatet angiver, hvor stor en forskydningsspænding, der er mobiliseret under pillerne: Pier failure c failure Min Max Max Mid. Kilde: nmgeo Da der endnu ikke er sket noget bæreevnebrud, kan vi altså konkludere, at forskydningsstyrken på nuværende tidspunkt er større end svarende til de fundne styrkeparametre. Men ikke nødvendigvis i resten af broens levetid! +

19 Dilemma En evt. nedbrydning af forskydningsstyrken med tiden medfører et dilemma, når vi skal udledes en styrke til brug for forstærkningen. Under pille 2, 3 og 4 falder forskydningsstyrken sandsynligvis i løbet af restlevetiden. Designstyrken afhænger følgelig af hastigheden, hvormed styrken falder, og den ønskede restlevetid (broens stand up time). Uheldigvis er hastigheden, hvormed styrken falder, ukendt og endvidere forskellig fra pille til pille. Vi må derfor acceptere en pragmatisk tilgang til denne opgave.

20 Tilbageregning pille 3 =23,3, c =2,1 kpa =15, c =4 kpa =9, c =1 kpa De unormalt store sætninger af pille 2, 3 og 4 indikerer, at den mobiliserede styrke ( =15, c =4,1) er utilladelig høj, og at der her formentlig samtidig sker nedbrydning af forskydningsstyrken. Nedbrydningen fortsætter muligvis med risiko for, at der på et tidspunkt udvikles et progressivt brud. Det fundne resultat angiver således en øvre værdi for design værdien på: = 15,0 and c = 4,1 kpa

21 Tilbageregning pille 1 =23,3, c =2,1 kpa =15, c =4 kpa =9, c =1 kpa Tilsvarende peger de normale sætninger af pille 1 på, at den mobiliserede styrke her er tilpas lille til, at der ikke sker nedbrydning af styrken. Tilbageregningen angiver således en nedre værdi for de regningsmæssige (design) værdier på: = 12.8 and c = 3.5 kpa. Den pragmatiske løsning er følgelig at vælge den mobiliserede styrke under pille 1 som designværdi for et forstærkningsprojekt.

22 Karakteristiske effektive styrkeparametre =23,3, c =2,1 kpa =15, c =4 kpa =9, c =1 kpa Med partialkoefficient 1,2 svarer hertil karakteristiske værdier på: k = 15.2 og c k = 4.2 kpa

23 Karakteristiske effektive styrkeparametre - eller eventuelt en anden kombination af k and c k, som genererer en tilsvarende lav forskydningsspænding langs brudplanet: Den karakteristiske forskydningsstyrke bliver dermed i størrelsesordenen: (2/3) peak